Конструкционные высокопрочные сплавы на основе системы Аl—Zn—Mg—Cu (алюминий-цинк-магний)

История открытия сплавов

Сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu обладают наивысшей прочностью до 800МПа в долевом направлении для прессованных полуфабрикатов среди алюминиевых сплавов. Они имеют особенно высокий предел текучести, который на 40—50 % выше, чем у сплавов типа Д16 в естественно состаренном состоянии Т. Развитие высокопрочных сплавов началось с открытия в 1923—1926 гг. немецкими учеными Зандером и Мейснером чрезвычайно высокого эффекта закалки и старения в трехкомпонентных сплавах Al-Zn-Mg.

В начале 40-х годов был разработан сплав В95 (табл. IV. 1). Он нашел широкое промышленное применение как высокопрочный сплав и до настоящего времени наряду со сплавом Д16Т является основным конструкционным материалом авиационной техники. В 1956 г. И. Н. Фридляндер и Е. И. Кутайцева создали более прочный сплав В96Ц, в который впервые в мировой практике был введен цирконий вместо марганца и хрома. Это позволило повысить пластичность и улучшить прокаливаемость высокопрочных сплавов. Позднее были разработаны еще два сплава с цирконием — самый прочный сплав В96Ц-1 (в основном для прессованных полуфабрикатов) несколько менее легированный, ковочный сплав В96Ц-3 С высокой технологической пластичностью.

В 1957 г. для изготовления массивных поковок и штамповок создан оригинальный отечественный сплав В93, который легирован небольшим количеством железа взамен традиционных элементов — антирекристаллизаторов марганца, хрома, циркония. Это обеспечило повышенную прокаливае-мость и однородность прочностных свойств во всех направлениях при хорошей технологичности литья, ковки, штамповки.

Специально для заклепок разработан сплав В94, обладающий хорошей расклепываемостью в искусственно состаренном состоянии и сопротивлением срезу в расклепанном состоянии. По сравнению со среднепрочными сплавами высокопрочные сплавы менее пластичны и более чувствительны к надрезам, перекосам, что необходимо учитывать при обработке деталей и сборке конструкций из них. При применении сплавов еледует тщательно подходить к конструированию деталей: выбирать формы с минимальными концентраторами напряжений, с большой плавностью переходов при изменении сечения, уменьшать экцентриситеты.

Высокопрочные сплавы не теплопрочны и при длительной эксплуатации их можно использовать до температур не выше 100—120°С.

На первом этапе применения основных высокопрочных сплавов В95 и В93 главное требование, предъявляемое к ним, состояло в обеспечении максимальной статической прочности С учетом этого был установлен химический состав сплавов с довольно широкими допусками на содержание примесей железа и кремния и режим термообработки Т1, отвечающий фазовой стадии старения . При этом полуфабрикаты из таких сплавов обычной чистоты по примесям в состоянии Т1 имели ряд недостатков, к числу которых следует отнести склонность к коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии, большую чувстви-тельность ко всякого рода концентраторам напряжений, пониженную пластичность и статическую выносливость.

В 60-е годы обострилась проблема надежности, долговечности, экономичности современной техники, что существенно изменило подход к оценке работоспособности высокопрочных сплавов. Они юлжны обладать оптимальным комплексом свойств: высокая прочность должна сочетаться с высоким сопротивлением коррозии и усталости и с достаточно высокими значениями характеристик пластичности и трещиностойкоси, введенных в расчеты при проектировании самолетных конструкций по новому принципу безопасной повреждаемости.

Поэтому для дальнейшего надежного и эффективного применения высокопрочных сплавов были разработаны новые модификации с ограниченным содержанием примесей железа и кремния (а для сплава В95 с одновременным снижением концентрации цинка) — сплавы В95пч, В95оч и В93пч повышенной и особой чистоты. Это позволило существенно повысить пластичность и трещиностойкость при сохранении статической прочности и некотором увеличении сопротивления малоцикловой усталости.

Задача кардинального повышения стойкости к коррозми под напряжением и расслаивающей коррозии при дополнительном увеличении сопротивления разрушению сплавов была решена в результате разработки новых двухступенчатых режимов коагуляционного старения Т2 и Т3. Эти режимы называют также смягчающими, так как они приводят к небольшому разупрочнению (на 10—15%) по сравнению с режимом Т1. По коррозионной стойкости сплавы В95пч, В95оч и В93пч в состояниях Т2 и Т3 значительно превосходят сплавы типа дуралюмин.

Легирующие элементы

Цинк, магний и медь образуют с алюминием и между собой твердые растворы и различные металлические соединения — MgZn₂, S(Al₂CuMg), T(Mg₄Zn₃Al₃), играющие большую роль в упрочнении сплава при его термической обработке. В сплавах данного типа особенно важной является фаза T, находящаяся в равновесии с твердым раствором а (см. диаграмму Al—Mg—Zn на рис). Марганец и хром усиливают эффект старения и повышают коррозионную стойкость сплава; марганец, кроме того, способствует получению мелкозернистой структуры, затрудняет выделение металлических фаз по границам зерен твердого раствора, а также несколько повышает прочность сплава; при этом особенно повышается прочность прессованных изделий, что характеризует так называемый «пресс-эффект». Пресс-зффект связывают с выделением мелкодисперсных частиц марганцовистой фазы или образованием блоков внутри зерен твердого раствора.

Термообработка

Максимальные значения прочности полуфабрикатов из сплавов на основе системы Al—Zn—Mg—Си достигаются при температурах закалки 460—475°С с последующим искусственным старением. Режимы старения: сплава В93 — ступенчатый (120°С — 3 ч + 165°С — 4 ч); сплава В94 — ступенчатый (100° С — 3 ч + 165°С — 3 ч); сплава B95— плакированные листы — 120°С 24 ч; сплавов В95 — неплакированные полуфабрикаты, В96, В96ц — 135-145°С в течение 16 ч или ступенчатый (120°С — 3 ч + 160°С — 3 ч).

Прочность и пластичность

Сплавы на основе системы Al—Zn—Mg—Си обладают высокой прочностью и пониженной пластичностью. Чувствительны к надрезам. в закаленном и искусственно состаренном состоянии, отличаются удовлетворительной общей коррозионной стойкостью, однако склонны к коррозионному растрескиванию под напряжением (в особенности сплавы В96 и В96ц). Коррозионная стойкость естественно состаренных сплавов неудовлетворительная. Детали из этих сплавов следует анодировать и защищать лакокрасочными покрытиями.
Недостатками сплавов типа В95 являются пониженная пластичность, повышенная чувствительность к концентрации напряжений, большая анизотропия свойств в поперечном и продольном направлении волокон и склоннюсть к коррозии под напряжением. Однако при правильной обработке, рациональном применении в конструкции и надлежащей защите от коррозии эти недостатки могут быть успешно устранены.

Использование

Сплав В95 хорошо сваривается точечной сваркой; сплавы В96 и В96ц удовлетворительно свариваются аргонодуговой сваркой. Пластичность сварного шва пониженная.
Все сплавы на основе системы Al—Zn—Mg—Си хорошо обрабатываются резанием.
Сплавы В93, В95, В96, В96ц применяют для изготовления нагруженных силовых деталей и конструкций в различных отраслях техники. Сплав В94 применяют для изготовления заклепок и заклепочной проволоки.
При длительной эксплуатации рабочие температуры изделий из сплавов на основе системы Al—Zn—Mg—Сu не должны превышать 100°С